RU2260811C1 - Method for determining the charge surface density of plane dielectrics - Google Patents

Method for determining the charge surface density of plane dielectrics Download PDF

Info

Publication number
RU2260811C1
RU2260811C1 RU2004107804/28A RU2004107804A RU2260811C1 RU 2260811 C1 RU2260811 C1 RU 2260811C1 RU 2004107804/28 A RU2004107804/28 A RU 2004107804/28A RU 2004107804 A RU2004107804 A RU 2004107804A RU 2260811 C1 RU2260811 C1 RU 2260811C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
capacitor
current
sample
voltage
proportional
Prior art date
Application number
RU2004107804/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Н.М. Алейников (RU)
Н.М. Алейников
А.Н. Алейников (RU)
А.Н. Алейников
В.В. Агошкин (RU)
В.В. Агошкин
А.В. Щербаков (RU)
А.В. Щербаков
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежский государственный университет
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежский государственный университет filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежский государственный университет
Priority to RU2004107804/28A priority Critical patent/RU2260811C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2260811C1 publication Critical patent/RU2260811C1/en

Links

Landscapes

  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)

Abstract

FIELD: measurement technology.
SUBSTANCE: the proposed method consists in realization of the following operations: a sample under investigation is positioned into the gap of a plane static capacitor with immovable plates; the harmonic mechanical oscillations of the sample are excited in the direction of a normal to the capacitor plates; measurement of the signal value, proportional to the current in the capacitor circuit at zero voltage on the capacitor, is carried out. Then an alternating voltage, common-mode with mechanical oscillations of the samples, is supplied to the capacitor gaps and the signal value, proportional to the current in the capacitor circuit, is measured again. The value of the charge surface density is calculated when using the alternating voltage amplitude, sample oscillation amplitude and measured values of the signal, proportional to the current in the capacitor circuit.
EFFECT: repeated decrease of the voltage on a measuring capacitor in comparison with the methods, based on application of a dynamic measuring capacitor.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехническим измерениям и предназначено для измерения поверхностной плотности полного (реального) заряда диэлектрических материалов плоской формы.The invention relates to electrical measurements and is intended to measure the surface density of the total (real) charge of dielectric materials of a flat shape.

Способы измерения заряда в плоских диэлектриках, основанные на индуцировании тока в цепи динамического конденсатора, между обкладками которого находится заряженный диэлектрик, известны, например, при компенсационных измерениях, когда постоянным компенсационным напряжением достигается нулевой ток в цепи динамического конденсатора. Существенным недостатком компенсационных способов является необходимость применения компенсационных напряжений, величина которых при больших плотностях заряда в диэлектриках может достигать нескольких киловольт, что приводит к разрушению исследуемого электретного состояния и делает эти способы недостаточно корректными и технологичными [1].Methods for measuring charge in flat dielectrics, based on inducing a current in a circuit of a dynamic capacitor between the plates of which there is a charged dielectric, are known, for example, in compensation measurements, when a constant compensation voltage reaches zero current in the circuit of a dynamic capacitor. A significant drawback of the compensation methods is the need to use compensation voltages, the magnitude of which at high charge densities in dielectrics can reach several kilovolts, which leads to the destruction of the studied electret state and makes these methods insufficiently correct and technologically advanced [1].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения заряда в плоских диэлектриках [2]), позволяющий существенно уменьшить величину напряжения на измерительном вибрационном конденсаторе по сравнению с компенсационными способами. В этом способе исследуемый образец помещают в зазор конденсатора с вибрирующим электродом, измеряют ток конденсатора, перемещают образец в другое положение, измеряют величину перемещения и, регулируя постоянное напряжение на конденсаторе, добиваются первоначального тока конденсатора и измеряют постоянное напряжение на конденсаторе.The closest in technical essence to the proposed method is a method of measuring charge in flat dielectrics [2]), which allows to significantly reduce the voltage across the measuring vibrational capacitor compared with compensation methods. In this method, the test sample is placed in the gap of the capacitor with a vibrating electrode, the capacitor current is measured, the sample is moved to another position, the displacement is measured and, by regulating the constant voltage across the capacitor, the initial capacitor current is achieved and the constant voltage across the capacitor is measured.

Недостаток этого способа в том, что необходимо перемещать образец и измерять величину перемещения, которая должна быть достаточно малой, и от точности измерения которой зависит точность определения искомой величины заряда. Кроме того, не учитывается возможность изменения начальной фазы колебаний тока вибрационного конденсатора при перемещении образца [1], что может приводить к ошибкам в определении не только величины, но и полярности заряда.The disadvantage of this method is that it is necessary to move the sample and measure the amount of displacement, which should be sufficiently small, and the accuracy of determining the desired charge depends on the measurement accuracy of which. In addition, the possibility of changing the initial phase of the oscillation current of the vibrational capacitor when moving the sample [1] is not taken into account, which can lead to errors in determining not only the magnitude, but also the polarity of the charge.

Задача, решаемая данным изобретением, - упрощение и повышение точности измерений заряда диэлектрика при небольших напряжениях на измерительном конденсаторе.The problem solved by this invention is to simplify and improve the accuracy of measuring dielectric charge at low voltages on the measuring capacitor.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе измерения плотности заряда плоских диэлектриков, основанном на индуцировании переменного тока в цепи измерительного конденсатора с заряженным диэлектриком в его зазоре - исследуемый образец помещают в зазор плоского статического конденсатора с неподвижными обкладками, возбуждают гармонические механические колебания образца в направлении нормали к обкладкам конденсатора и измеряют при нулевом напряжении на конденсаторе величину сигнала А1, пропорциональную току в цепи измерительного конденсатора, после чего на обкладки конденсатора подают синфазное с механическими колебаниями образца напряжение и снова измеряют величину сигнала А2, пропорциональную току конденсатора, а искомую величину поверхностной плотности полного заряда вычисляют по формуле

Figure 00000002
The problem is achieved in that in the known method for measuring the charge density of flat dielectrics, based on the induction of alternating current in the circuit of the measuring capacitor with a charged dielectric in its gap, the test sample is placed in the gap of a flat static capacitor with fixed plates, they excite harmonic mechanical vibrations of the sample in the direction normal to the plates of a capacitor and measured at zero voltage across the capacitor value signal A1, which is proportional to the current in the circuit and Tonnage condenser, after which the capacitor plates supplied in-phase with the mechanical vibrations of the specimen is measured again and the voltage value of the signal A 2 which is proportional to the capacitor current and the desired value of the surface density of the total charge is calculated by the formula
Figure 00000002

где ε0=8,86·10-12 Ф/м - электрическая постоянная, Um - амплитуда переменного напряжения, подаваемого на обкладки конденсатора, а - амплитуда колебаний образца.where ε 0 = 8.86 · 10 -12 F / m is the electric constant, U m is the amplitude of the alternating voltage supplied to the capacitor plates, and is the amplitude of the oscillations of the sample.

В работе [1] для одномерной модели конденсатора, в зазоре которого расположен плоский диэлектрик, приводится уравнение, устанавливающее связь напряженности поля Е в зазоре конденсатора с распределенным в диэлектрике зарядом

Figure 00000003
In [1], for a one-dimensional model of a capacitor with a plane dielectric in its gap, an equation is given that establishes a relation between the field strength E in the capacitor gap and the charge distributed in the dielectric
Figure 00000003

где ε - диэлектрическая проницаемость образца, ρ(х) - объемная плотность заряда, распределенного в образце, l - величина зазора между образцом и обкладкой конденсатора, к которой приложено напряжение U относительно другой обкладки, h - величина воздушного зазора конденсатора, L - толщина образца, х - направление нормали к образцу,

Figure 00000004
where ε is the dielectric constant of the sample, ρ (x) is the bulk density of the charge distributed in the sample, l is the gap between the sample and the capacitor plate, to which the voltage U is applied to the other plate, h is the air gap of the capacitor, L is the sample thickness , x is the direction of the normal to the sample,
Figure 00000004

где σ и σL - поверхностные плотности полного (реального) и эффективного (формального) заряда, Vk - контактная разность потенциалов обкладок конденсатора. Полагая Vk=0, перепишем (1) в видеwhere σ and σ L are the surface densities of the total (real) and effective (formal) charge, V k is the contact potential difference of the capacitor plates. Setting V k = 0, we rewrite (1) in the form

Figure 00000005
Figure 00000005

Пусть образец в зазоре конденсатора совершает механические гармонические колебания и синфазно с колебаниями образца изменяется напряжение на конденсаторе, т.е. l=l0+asinωt и U=Umsinωt, где а - амплитуда вибрации, Um - амплитуда переменного напряжения, ω - циклическая частота вибрации. В цепи конденсатора пойдет ток

Figure 00000006
Let the sample in the gap of the capacitor perform mechanical harmonic vibrations and the voltage across the capacitor changes in phase with the vibrations of the sample, i.e. l = l 0 + asinωt and U = U m sinωt, where a is the amplitude of vibration, U m is the amplitude of the alternating voltage, ω is the cyclic frequency of vibration. A current will flow in the capacitor circuit
Figure 00000006

где S - площадь обкладок конденсатора.where S is the area of the capacitor plates.

Амплитуда тока

Figure 00000007
Current amplitude
Figure 00000007

где

Figure 00000008
Where
Figure 00000008

Для определения величины σ необходимо измерить ток конденсатора Im1, например, при нулевом напряжении Um1=0, и ток Im2 при напряжении Um2=Um, отличным от нуля. Подставляя Im1 и Im2 в формулу (3), получим систему из двух уравнений Im1=Baσ и Im2=B(aσ-ε0Um), решая которую получим To determine the value of σ, it is necessary to measure the capacitor current I m1 , for example, at zero voltage U m1 = 0, and the current I m2 at a voltage U m2 = U m other than zero. Substituting I m1 and I m2 into formula (3), we obtain a system of two equations I m1 = Baσ and I m2 = B (aσ-ε 0 U m ), solving which we obtain

Figure 00000009
Figure 00000009

Так как в последнее выражение входит относительная величина Im2/Im1, необязательно измерять абсолютные значения токов, а можно измерять величины, пропорциональные измеряемым токам Im1 и Im2, например, напряжения A1=kIm1 и A2=kIm2 на выходе преобразующего ток в напряжение усилителя, коэффициент преобразования которого k. Величину поверхностной плотности полного заряда вычисляют по формуле

Figure 00000010
Since the last expression includes the relative value I m2 / I m1 , it is not necessary to measure the absolute values of currents, but it is possible to measure values proportional to the measured currents I m1 and I m2 , for example, the voltage A 1 = kI m1 and A 2 = kI m2 at the output converts the current into the voltage of the amplifier, the conversion coefficient of which is k. The value of the surface density of the total charge is calculated by the formula
Figure 00000010

На чертеже приведена принципиальная схема устройства, с помощью которого может быть реализован данный способ. Оно состоит из трех плоских конденсаторов - измерительного 1 и двух вспомогательных 2 и 3. Первый вспомогательный конденсатор 2 - статический. Он предназначен для генерации переменного напряжения, синфазного механическим колебаниям образца 4, и образован неподвижными обкладками 5 и 6, между которыми расположен плоский заряженный электрет 7. Второй вспомогательный конденсатор 3 - динамический. Он предназначен для измерения амплитуды механических колебаний образца 4 и образован вибрационной обкладкой 8 и неподвижной обкладкой 9. Образец 4 и электрет 7 расположены на держателе 10, который механически жестко связан с вибрационной обкладкой 8. Механические колебания держателя 10 возбуждаются вибратором 11. Для измерения сигнала, пропорционального току измерительного конденсатора 1 в цепь этого конденсатора включен преобразующий ток в напряжение усилитель 12, на выходе которого включен вольтметр 13. В цепь первого вспомогательного конденсатора 2 включен преобразующий ток в напряжение усилитель 14, на выходе которого включен вольтметр 15. С выхода усилителя 14 в разрыв цепи измерительного конденсатора 1 подается напряжение, которое может отключаться переключателем 16. В цепь второго вспомогательного конденсатора 3 включен источник 17 постоянного напряжения (ИПН) и измеритель 18 переменного тока.The drawing shows a schematic diagram of a device with which this method can be implemented. It consists of three flat capacitors - measuring 1 and two auxiliary capacitors 2 and 3. The first auxiliary capacitor 2 is static. It is designed to generate an alternating voltage in phase with the mechanical vibrations of sample 4, and is formed by fixed plates 5 and 6, between which there is a flat charged electret 7. The second auxiliary capacitor 3 is a dynamic one. It is designed to measure the amplitude of mechanical vibrations of sample 4 and is formed by a vibration plate 8 and a stationary plate 9. A sample 4 and an electret 7 are located on a holder 10, which is mechanically rigidly connected to the vibration plate 8. The mechanical vibrations of the holder 10 are excited by a vibrator 11. To measure the signal, proportional to the current of the measuring capacitor 1, a converter 12 converts the current into voltage into the circuit of this capacitor, and a voltmeter 13 is connected to its output. The circuit of the first auxiliary cond the nasator 2 includes a voltage-converting amplifier 14, the output of which is connected to a voltmeter 15. From the output of the amplifier 14, a voltage is applied to the circuit of the measuring capacitor 1, which can be switched off by the switch 16. A constant voltage source (DCI) 17 is connected to the circuit of the second auxiliary capacitor 3 and meter 18 AC.

Устройство работает следующим образом. Исследуемый образец 4 помещается между неподвижными обкладками 19 и 20 измерительного конденсатора 1. При возбуждении механических колебаний обкладки 8 в цепи второго вспомогательного конденсатора 3 возникает переменный ток, амплитуда которогоThe device operates as follows. The test sample 4 is placed between the stationary plates 19 and 20 of the measuring capacitor 1. When exciting mechanical vibrations of the plates 8 in the circuit of the second auxiliary capacitor 3, an alternating current arises, the amplitude of which

Figure 00000011
Figure 00000011

где S1 - площадь обкладок, a - амплитуда вибрации, ω - циклическая частота вибрации, U0 - напряжение источника 17, h0 - равновесное расстояние между обкладками 8 и 9. Измеряя Im, и зная параметры конденсатора S1, ω, U0, h0, вычисляют амплитуду а механических колебаний исследуемого образца 4.where S 1 is the area of the plates, a is the amplitude of the vibration, ω is the cyclic frequency of the vibration, U 0 is the voltage of the source 17, h 0 is the equilibrium distance between the plates 8 and 9. By measuring I m and knowing the parameters of the capacitor S 1 , ω, U 0 , h 0 , calculate the amplitude a of the mechanical vibrations of the test sample 4.

При отключенном переключателем 16 напряжении на измерительном конденсаторе 1 вольтметром 13 измеряют величину сигнала А1. Затем переключателем 16 подключают к измерительному конденсатору 1 с выхода усилителя 14 напряжение, амплитуду Um которого измеряют вольтметром 15, и вольтметром 13 измеряют величину сигнала А2. Полученные значения a, Um, А1 и А2 подставляют в формулу (4) и определяют искомую величину поверхностной плотности полного заряда.When the voltage is switched off by the switch 16 on the measuring capacitor 1 with a voltmeter 13, the value of signal A 1 is measured. Then, with a switch 16, a voltage is connected to the measuring capacitor 1 from the output of the amplifier 14, the amplitude of which U m is measured with a voltmeter 15, and the signal A 2 is measured with a voltmeter 13. The obtained values of a, U m , A 1 and A 2 substitute in the formula (4) and determine the desired value of the surface density of the total charge.

Рассмотрим различные примеры, иллюстрирующие влияние полярности заряда на результаты измерений:Consider various examples illustrating the effect of charge polarity on measurement results:

Пример 1. Пусть при a=0,01 см и Um=20 В величина A1/A2=0,9. Подставляя а, Um и A1/A2 в (4), получим σ=8,86·10-14·20/[0,01·(1-0,9)]=+1,77·10-9 (Кл/см2).Example 1. Let at a = 0.01 cm and U m = 20 V the value A 1 / A 2 = 0.9. Substituting a, U m, and A 1 / A 2 into (4), we obtain σ = 8.86 · 10 -14 · 20 / [0.01 · (1-0.9)] = + 1.77 · 10 - 9 (C / cm 2 ).

Пример 2. Пусть при a=0,01 см и Um=20 В величина A1/A2=1,2. Подставляя а, Um и A1/A2 в (4), получим σ=8,86·10-14·20/[0,01·(1-1,2)]=-0,886·10-9 (Кл/см2).Example 2. Let at a = 0.01 cm and U m = 20 V the value A 1 / A 2 = 1.2. Substituting a, U m and A 1 / A 2 into (4), we obtain σ = 8.86 · 10 −14 · 20 / [0.01 · (1-1.2)] = - 0.886 · 10 -9 ( C / cm 2 ).

Из приведенных примеров следует:From the following examples:

1. Относительная величина зависит от полярности искомого заряда и принимает значения А1/А2<1 при σ>0 и A1/A2>1, если σ<0.1. The relative value depends on the polarity of the desired charge and takes the values A 1 / A 2 <1 for σ> 0 and A 1 / A 2 > 1 if σ <0.

2. Несмотря на относительно большие плотности зарядов (+1,77 и -0,886 нКл/см2), напряжение на конденсаторе составило всего 20 В, в то время как при компенсационных измерениях для таких плотностей заряда напряжение компенсации составило бы несколько киловольт [1].2. Despite the relatively high charge densities (+1.77 and -0.886 nC / cm 2 ), the voltage across the capacitor was only 20 V, while in compensation measurements for such charge densities the compensation voltage would be several kilovolts [1] .

ЛитератураLiterature

1. А.Н.Алейников, Н.М.Алейников. Индукционные методы определения параметров остаточного заряжения диэлектрических материалов, "Материаловедение", М.: "Наука и технологии", №3, 2002, с.26-33.1. A.N. Aleinikov, N.M. Aleinikov. Induction methods for determining the parameters of the residual charging of dielectric materials, "Materials Science", M .: "Science and Technology", No. 3, 2002, p.26-33.

2. Патент RU №1471152, кл. G 01 R 29/12. Способ определения плотности заряда в диэлектриках.2. Patent RU No. 1471152, cl. G 01 R 29/12. A method for determining charge density in dielectrics.

Claims (1)

Способ измерения плотности заряда плоских диэлектриков, основанный на индуцировании переменного тока в цепи измерительного конденсатора с заряженным диэлектриком в его зазоре, отличающийся тем, что исследуемый образец помещают в зазор плоского конденсатора с неподвижными обкладками, возбуждают гармонические механические колебания образца в направлении нормали к обкладкам конденсатора и измеряют при нулевом напряжении на конденсаторе величину сигнала А1, пропорциональную току в цепи измерительного конденсатора, после чего на обкладки конденсатора подают синфазное с механическими колебаниями образца напряжение и снова измеряют величину сигнала А2, пропорциональную току конденсатора, а искомую величину поверхностной плотности полного заряда вычисляют по формулеA method for measuring the charge density of flat dielectrics, based on the induction of an alternating current in the circuit of the measuring capacitor with a charged dielectric in its gap, characterized in that the test sample is placed in the gap of a flat capacitor with fixed plates, excite harmonic mechanical vibrations of the sample in the normal direction to the plates of the capacitor and measured at zero voltage across the capacitor value signal A1, which is proportional to the current in the measuring capacitor circuit, after which obkleyte subcontroller condenser fed with in-phase mechanical vibrations of the specimen is measured again and the voltage value of the signal A 2 which is proportional to the capacitor current and the desired value of the surface density of the total charge is calculated by the formula
Figure 00000012
Figure 00000012
 где ε0=8,86·10-12 Ф/м - электрическая постоянная,where ε 0 = 8.86 · 10 -12 F / m is the electric constant, Um - амплитуда переменного напряжения,U m - the amplitude of the alternating voltage, а - амплитуда колебаний образца.and - the amplitude of the sample.
RU2004107804/28A 2004-03-16 2004-03-16 Method for determining the charge surface density of plane dielectrics RU2260811C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004107804/28A RU2260811C1 (en) 2004-03-16 2004-03-16 Method for determining the charge surface density of plane dielectrics

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004107804/28A RU2260811C1 (en) 2004-03-16 2004-03-16 Method for determining the charge surface density of plane dielectrics

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2260811C1 true RU2260811C1 (en) 2005-09-20

Family

ID=35849090

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004107804/28A RU2260811C1 (en) 2004-03-16 2004-03-16 Method for determining the charge surface density of plane dielectrics

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2260811C1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4993349B2 (en) Potential measuring apparatus and image forming apparatus
US4467271A (en) Test apparatus for determination of vibration characteristics of piezoelectric transducers
JP5681408B2 (en) Capacitance type acceleration detection apparatus and calibration method thereof
RU2260811C1 (en) Method for determining the charge surface density of plane dielectrics
US20080079435A1 (en) Electrostatic Voltmeter With Spacing-Independent Speed of Response
JP4873689B2 (en) Surface potential meter and surface potential measurement method
GB1568634A (en) Vibrating capacitor
Sotirov et al. Design and development of an electrostatic voltmeter based on surface potential sensor
RU2231804C1 (en) Method for measurement of parameters residual charge of flat dielectrics
RU2298199C1 (en) Method of measurement of surface density of total charge in flat dielectrics
JP2001264355A (en) Acceleration sensor
SU1471152A1 (en) Method of determining charge density in dielectrics
RU2771408C1 (en) Control device for electromagnetic equipment for testing materials for fatigue
RU2303787C1 (en) Method for measuring of dielectric penetrability of liquid and flat solid dielectrics
SU1307395A1 (en) Method of measuring surface charge density of dielectric
RU2156983C1 (en) Method for measuring of alteration of surface potential
RU2244271C1 (en) Method for controlling quality of manufacture of micro-mechanical devices
RU133319U1 (en) RESIDUAL ELECTRICITY METER FOR DIELECTRIC MATERIALS
RU2287835C2 (en) Method for observation of surface charge density and its middle position in flat dielectrics
RU1798736C (en) Device for measurement of electric potential of charged surface
SU759984A1 (en) Device for measuring dielectric parameters of substances
JPH0766019B2 (en) Method and apparatus for measuring surface charge density
SU1022078A1 (en) Device for measuring distribution in electric potential
SU1149191A1 (en) Device for measuring electric potential distribution
SU1396063A1 (en) Electric meter

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20070317